高功率微波射频器件的未来——金刚石基GaN功率器件与散热方案

近十年来，氮化镓(GaN)的研究热潮席卷了全球的电子工业｡ 

GaN具有禁带宽度大(室温下为3.39eV)､击穿电场强度高(3.3MV/cm)､饱和电子速度大(2.5×10⁷cm/s)､热导率高(1.5W·cm^-1·K^-1)、抗辐射能力强以及易于形成异质结构等优异性能等特点，非常适于研制高频､大功率微波､毫米波器件和电路，在 5G 通讯、航天、国防等领域具有极高的应用价值。

随着无线通信和雷达等系统的工作频率向毫米波频段扩展，由于材料本身特性的限制，第一代(例如硅等)和第二代(例如砷化镓等)半导体器件的性能都已逼近其极限，无法满足毫米波新兴系统对功率放大器件在输出功率､效率､工作带宽和热稳定性等方面的要求｡

表1：常见半导体材料性能对比

以SiC、GaN和金刚石为代表的宽禁带半导体材料脱颖而出，它们具有高击穿电压、高饱和迁移速度、抗辐照和耐高温等前两代半导体材料无法比拟的优点。但是由于SiC材料具有较低的电子迁移率，并不适合高频高速应用。金刚石几乎在各项材料特性指标上都领先GaN，但是GaN材料在工艺成熟度和制备成本上有更大的优势。因此，目前而言，GaN功率器件和射频器件成为了雷达､电子战和第五代移动通信(5G)等系统在毫米波频段重要的功率放大器件｡

适合于高功率高频率器件应用的最基本的元件为GaN高电子迁移率晶体管（ HEMT）。但是随着外延材料晶体质量的持续提高和器件工艺的改进，在小型化和功率增大化的条件下，GaN基微波功率器件的可靠性和稳定性受到严重挑战。

其中最主要的原因是GaN基功率器件随着功率密度的增加，芯片有源区的热积累效应迅速增加，在接近栅极的地方会产生局部的数十纳米大小的热点，局部热流密度可以达到太阳表面热流密度的十倍以上。但这些热量却无法快捷有效地散发出去，这导致其各项性能指标迅速恶化，寿命减少。尽管 GaN 功率器件的理论输出功率密度可达40 W/mm 以上，但是由于现阶段因其自身热效应问题导致GaN HEMT器件功率密度仅为3~5 W/mm。

图1 ：GaN高电子迁移率晶体管示意图

（来源：ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 8376−8384）

由于散热的需求，GaN器件的衬底材料从蓝宝石（33 W/m·K）、Si（导热系数149 W/m·K），GaN（200W/m·K）发展到现在市场上的SiC（导热系数380 W/m·k）。对比个各种基底材料，我们也可以看到，蓝宝石基底导热系数太低（33 W/m·K），而GaN基底导热系数较高（200W/m·K）但是价格相对较贵。Si基GaN器件性能一般但是具有价格优势，SiC基GaN器件是目前雷达和电子战设备无可替代的选择，而现在正在大力研发的金刚石基底，也被认为是未来的发展方向！

表2：几种常见的衬底材料性能

硅基氮化嫁：这种方法比另外两种良率都低，不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此，它很快就会以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术，理所当然会威胁它们根深蒂固的市场。

碳化硅基氮化镓：这是射频氮化镓的“高端”版本，SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品，可提供其他出色特性，可确保其在最苛刻的环境下使用。

金刚石基氮化镓：将这两种东西结合在一起是很难的，但是好处也是巨大的：在世界上所有材料中工业金刚石的热导率最高（因此最好能够用来散热）。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来，可以实现非常接近芯片的有效导热面。

同时，在GaN和衬底之间需要添加缓冲层，这一缓冲层是由于与GaN和衬底的晶格失配所致｡缓冲层降低了残余应力，但产生了更高的界面热阻｡因此，散热问题成为制约GaN基功率器件进一步发展和广泛应用的主要技术瓶颈之一。

目前，能够缓解器件自热效应的途径有两种：被动式热管理技术和主动式热管理技术。

被动式热管理技术主要通过增加器件尺寸、增加风冷或水冷装置、增加器件重量、降低器件功率密度等技术手段。但对于器件功率增大化、尺寸小型化、重量轻量化的目标来说，难以满足目前及未来的技术需求。

主动式热管理技术是采用高导热材料替换传统的低导热衬底，该方法是一种高效的热管理技术，可以实现散热衬底与热源的近结接触，提高散热效率，同时实现功率密度的提高和器件重量和体积的降低，充分发挥器件潜力。

金刚石作为自然界中热导率最高的材料，可达2000W/mK，采用高导热率的金刚石作为GaN基功率器件的散热衬底或者热沉有望改善其“自热效应”，实现高频､高功率的应用的不二之选。

从2003年开始，Felix Ejeckam等人就开始研究金刚石基GaN器件。由于晶格失配，GaN无法直接在金刚石上高质量外延。而半导体的异质结合一直以来是一个很有挑战性的技术问题。

高温键合导致高热应力，器件很容易裂掉，并且GaN金刚石界面导热很差。从2008年开始，欧盟投入资金推动化学气相沉积方法（CVD）在GaN器件背面生长金刚石。先把Si基GaN器件的Si基底蚀刻掉，在GaN表面生长一层界面保护层，种上纳米金刚石颗粒，然后直接生长金刚石，得到的器件大大优于Si基GaN器件。紧接着，美国DARPA、海军研究办公室等投入大量资金，联合大学（英国布里斯托大学、美国佐治亚理工、斯坦福等）、半导体公司（元素六、雷神、Qorvo、Lockheed Martin、Northrop Grumman等）大力推动金刚石基GaN器件的发展。鉴于生长大尺寸金刚石衬底的难度和价格，目前金刚石基GaN器件的应用仅限于国防和航空航天方向。

随着金刚石生长技术的发展，商业应用会逐渐发展起来。目前美国在GaN上直接CVD生长金刚石的技术已经成熟，数家初创公司在推动相关技术在航空航天方向的应用，获得了数轮融资；另一方面，相关技术被卖给了一家韩国半导体代工厂，生产适用于5G基站的产品。2017年欧盟投入数千万美元继续推动相关技术的研发。日本方面，2017年底，富士通发布新闻，把SiC基GaN器件常温键合到单晶体金刚石上面，把气象雷达探测距离增大了约1.5倍。2019年底，富士通在GaN器件表面生长CVD金刚石，通过两面散热进一步降低器件温度。同年，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）与三菱电机、日本产业技术综合研究所合作，通过让高导热率单晶金刚石直接键合形成散热基板，全球首次开发出了拥有高输出功率和高效率的多单元氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN-HEMT）。

图2：新开发的GaN-HEMT（上：单元结构，下：器件的上表面）（来源：客观日本）

金刚石基GaN器件的技术难点在于金刚石和GaN之间的界面热阻、晶格失配、热应力、CVD生长的纳米晶体金刚石的低导热。CVD生长一般在七八百摄氏度，因为GaN和金刚石的热膨胀系数的差异，当器件冷却到常温时，界面处会有很大的热应力从而使器件破裂。在GaN上面生长金刚石需要一层保护层，这层额外的保护层增加了界面热阻，大大降低了金刚石的散热功效。并且，CVD生长的金刚石在界面附近是纳米晶体，导热系数非常低，只有几十W/m·K。CVD生长几个微米厚之后，多晶体金刚石导热系数才会升高到接近体材料，这一层低质量的金刚石也会阻碍GaN器件散热。

因此，如何将金刚石作为GaN基功率器件的热沉或衬底，成为目前研究热点。目前已经报道了多种技术形式，其中主要有多晶金刚石衬底GaN散热技术、单晶金刚石衬底散热技术、高导热金刚石钝化层散热技术等。

1、多晶金刚石衬底 GaN 散热技术 

最早将高热导率金刚石作为GaN功率器件散热衬底的是G.H.Jessen和FelixEjeckam等人。其基本理念是使高热导率金刚石足够近的接触器件有源区（产热区域），通过热传导的方式将热量迅速传输出去。目前制备金刚石衬底GaN基器件技术主要分两种方式：基于低温键合技术和基于GaN外延层生长金刚石技术。

（1）低温键合技术

键合技术是半导体行业制造过程中重要的技术,绝大部分的电子材料､电子器件结构等连接均会应用到键合技术，可分为高温键合及低温键合两类｡

低温键合的基本思路是将GaN外延层从原始的Si衬底上剥离下来，然后在暴露的GaN表面添加中间层，从而与多晶金刚石衬底结合，使GaN基器件的有源区与CVD金刚石衬底接触，降低功率器件结温。

最先开展 GaN/金刚石低温键合方法的是 BAE Systems（英国航空航天公司），首先在 SiC 基 GaN 外延层制备 HEMT器件，然后将 GaN 基 HEMT 晶片键合在临时载体晶片上，去除 SiC 衬底和部分 GaN 的形核层和过渡层，并将其表面和金刚石衬底加工到纳米级粗糙度；随后在 GaN 和金刚石衬底分别沉积键合介质（键合介质可能为 SiN、 BN、 AlN 等），在低于 150 ℃ 的温度键合，最后去除临时载体晶片，最终获得金刚石衬底 GaN HEMT 器件。其团队早期制备的 1英寸金刚石衬底GaN 结构键合的成功率达到70%，随后采用该技术路线将金刚石衬底GaN 晶片推广到 3~4 英寸。

图3:金刚石衬底 GaN 的低温键合技术

(来源：DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.11.013)

国内方面，北京科技大学几十年来一直在高导热金刚石膜制备及加工方面开展基础研究工作，目前已经获得尺寸大于 4英寸，热导率大于 1500 W/（m·K）的抛光多晶金刚石膜。基本满足低温键合对尺寸、热导率及表面光洁度及面形度等方面的基本要求。南京电子器件研究所（NEDI）与北京科技大学合作，成功将 3 英寸的 GaN HEMTs 外延层转移到多晶金刚石衬底上。

图4：4 英寸抛光多晶金刚石膜和 3 英寸金刚石衬底 GaN 晶圆

(来源：北京科技大学李成明教授团队工作)

然而，对于低温键合技术来说，虽然不存在高温和氢等离子体环境、金刚石衬底导热性能可控的优势，该技术路线的难点在于大尺寸金刚石衬底的高精度加工和较差的界面结合强度！尤其是对平行度、变形量及表面粗糙度的极高要求：键合面粗糙度往往需要小于1nm (RMS)，这对于其他材料来说可能更容易实现，而对于多晶金刚石膜，获得小于1nm的粗糙度，难度非常大，主要是由于多晶金刚石膜存在较多的晶界，这些晶界往往成为制约粗糙度降低的主要因素｡另外，去除原始衬底后 GaN 外延层表面的高精度加工等。同时，大尺寸较薄(~100pm)的金刚石变形问题往往非常严重，较大的变形量往往导致键合不均匀性和键合强度低等不利因素。实现键合层的低热阻和高质量键合强度也是实现器件制备的关键。

(2)基于GaN 外延层背面直接生长金刚石

另一种制备金刚石衬底GaN器件的方法，与低温键合技术不同之处是去除衬底及部分GaN缓冲层后在外延层背面首先沉积一层介电层用于保护GaN外延层后再沉积金刚石衬底（厚度~100 μm）。以美国的Group 4 Labs（第四实验室团队）的研究为主。

图5：金刚石晶圆片上GaN的制作过程

Group 4 Labs在DARPA资助下首先获得三个重要结果：1）GaN可以长时间暴露在极端温度（＞600℃）下，而电学特性未出现可检测的变化；2）GaN薄膜与金刚石之间的热失配不会对器件造成影响；3)金刚石可以沉积在硅基GaN上 。采用该方法成功测出金刚石衬底GaN HEMT的I-V曲线 。

基于该项目， Group 4 Labs 通过直接生长技术，率先实现了金刚石衬底 GaN 的功率密度是传统 SiC 衬底GaN 器件的 3.87 倍，且工作热点温度降低了 40%~50%。Groups 4 Labs 的 D. Francis 和 Tyhach M等采用该技术首次展示了 4 英寸的 100 μm的金刚石衬底 GaN HEMTs，为目前报道最大直径的金刚石衬底 GaN 晶圆。

国内最早研究GaN外延层背面直接生长技术的是北京科技大学，从 GaN 外延层在微波氢等离子环境中的分解机制 、过渡层厚度 、两步法在 GaN 表面沉积金刚石膜等开展一系列系统研究，在 GaN 外延层转移、金刚石衬底 GaN 晶片制备等相关领域申请了相关专利 、发表了一些列成果。

但是，尽管GaN 外延层背面直接生长金刚石则具有良好的界面结合强度，但涉及到高温、晶圆应力大、界面热阻高等技术难点。因此后续的学者更多关注于优化 GaN/金刚石的界面热阻，认为采用更小粒径的纳米金刚石粉预处理介电层表面、更薄的介电层、增强 GaN/金刚石的界面结合强度、降低界面处缺陷，可以使界面热阻更均匀、更低。

 2、单晶金刚石衬底外延 GaN 

随着单晶金刚石制备技术不断发展和完善，单晶金刚石衬底直接外延 GaN 晶片也被用于改善散热需求。其中具有代表性的研究机构有瑞士的 EPFL、Element 6 和日本的 NTT 团队。

虽然目前可以实现AINGaN/GaNHEMTs的异质外延｡但是难度很大，由于金刚石属于立方结构，GaN属于六方纤锌矿结构，这种晶体结构的差异使单晶金刚石上外延GaN难度极大，另外GaN和金刚石的晶格常数和热膨胀系数差异巨大也对制备带来巨大困难，此外单晶尺寸的限制和成本的限制都进一步影响了其应用｡

3、高导热金刚石钝化层散热技术 

德国的M.Seelman-Eggebert 从理论和实验两个方面探讨了高热导率金刚石钝化层用于GaN-FETs上热扩散。详细讨论了GaN-FETs工艺条件与低温沉积金刚石的工艺兼容性，并采用选择性低温（沉积温度400℃）生长金刚石膜的方法在GaN-FETs的栅极上沉积0.7 μm厚的金刚石膜，对比沉积金刚石膜前后晶体管的输出特性和传输特性变化不明显，认为这是第一次可以在Ⅲ-Ⅴ族半导体晶体管器件上直接沉积金刚石用于热扩散，但具体的金刚石冷却效果并未进行验证。 

尽管高导热金刚石钝化层散热技术具有巨大潜力，但是在制作HEMTs过程中，沉积纳米金刚石薄膜往往受到器件工艺条件的限制，沉积温度一般较低，纳米金刚石膜的热导率并不高，这些都限制了该技术的应用和推广｡

目前，金刚石基GaN 器件相关技术不断突破，但实现金刚石衬底与GaN外延层的结合，无论技术上或者工艺上都未完全成熟，还存在许多难题亟需解决，距离产业化尚有距离！

金刚石基GaN HEMT技术的难点主要在于金刚石与GaN外延层的结合技术不够成熟，还存在圆片尺寸小、缺陷密度大、电学质量差、有效热阻低以及成本较高等一系列问题，同样也是未来亟需解决和发展的关键！因此，开发低成本大尺寸金刚石衬底，提高晶圆应力控制技术和界面结合强度，降低界面热阻，提高金刚石衬底 GaN 器件性能方面，将是未来金刚石与 GaN 器件结合技术发展的重点。

总的来说，下一代金刚石基GaN技术将支撑未来高功率射频和微波通信、宇航和军事系统，为5G和6G移动通信网络和更复杂的雷达系统铺平道路。

基于此，2021年11月18-20日，由DT新材料&中国超硬材料网联合主办的第六届国际碳材料大会暨产业展览会——金刚石论坛将在上海跨国采购会展中心拉开帷幕。本届论坛设有内部研讨会、主题报告、特色展区，围绕半导体相关产业链展开，从半导体的超精密加工技术、衬底技术、高功率器件与碳基散热解决方案、到半导体电子器件前沿应用等展开话题讨论，探索金刚石应用的无限可能！

参考文献：